LED散热问题的一些解决方案

1、LED 散热问题的一些解决方案【摘 要】 如今全世界都在朝着节能环保方向发展， 尤其是要减少二氧化碳的排放量。因 LED 体积小，寿命长， 省电污染底，反应速度快逐步取代了耗能较高的白炽灯的位 置，但高功率 LED 的散热问题一直是急需解决的问题。 本文 将从改善材料，改进 LED 封装技术等方面来阐述解决 LED 散热问题的一些方法。【关键词】 LED 热阻 散热 发光效率 封装技术LED 又称作发光二极体，是一种固态的半导体器件。 由 PN 结芯片，电极和光学系统组成，在电极端加上正向偏压， 使电子和空穴分别注入 P 区和 N 区，当平衡少数载流子与多 数载流子复合时，就会以辐射光子的形式

2、将多余的热量转化 为光能。 目前 LED 正在逐步取代白炽灯的位置， 受到上游芯 片价格下降以及 LED 照明器具发光效率的提升， 人们越来越 重视 LED 在照明领域的发展，而且 LED 行业自身也呈现出 极为良好的发展态势。如目前应用的风光互补功率智能化路 灯，在同功率下， LED 路灯更亮，如果散热效果做得好，寿 命将也有保证。 还有 LED 在城市亮化工程与夜景工程中的应 用，与霓虹灯相比具有更加省电耐用的优点。但一些高功率 的 LED 不能很好地散热，寿命将缩短。功率 LED 是指工作 电流在 100mA 以上的发光二极管。是我国行标参照美国 ASSIST 联盟定义的，按现有二种 L

3、ED 的正向电压典型值 2.1V 及 3.3V ，即输入功率在 210mw 及 330mw 以上的 LED 均为功率 LED ，都需要考虑器件热散问题， 有些人可能有不 同看法，但实践证明，要提高功率 LED 的可靠性（寿命） ， 就要考虑功率 LED 的散热问题。LED 发光时， PN 结产生一定的热量，这些热量要通过 对流和热传导散射出去，从而降低 PN 结温度，这样对 LED 光衰和使用寿命都有好处，可同时提高光输出并延长寿命， LED 光输出与 PN 结温度关系图如图 1。可见当温度超过 25 摄氏度时，发光效率会直线下降。 过高温度同时会损害 LED 的一些特性， 且是不可恢复的。

4、其 中 LED 芯片的结温 Tj=Ta+PRja ，其中 Ta 为环境温度， P 为 LED 功率， Rja 为热阻。（当 LED 点亮后达到稳定时，芯片 表面每消耗 1W 的功率，芯片 PN 结点的温度与连接支架或 铝基板的温度之间温差称为热阻，其中数值越低，表示芯片 中的热量传到支架或铝基板上越快，有利于降低芯片中 PN 结温度，延长 LED 寿命。）1 改善 LED 导热材料热设计的关键时 LED 芯片的结温 Tj ，LED 芯片的散热 途径主要有传导，对流，发散，其中传到和对流比较重要， 从热能分析，发散功率 P=VI ，当 LED 效率达到标准时， V和I相对变化比较小，所以散热主要

5、从传到方面考虑，使热 量预先从 LED 发散器导出。 首先考虑的是选择热传导系数较 大的材料。下面给出一些材料的导热系数，碳铜36.739.2黄铜 109 铝合金 162 金 315 银 427 锡 427 锌 121 纯铜 398 纯 铝 236 纯铁 81.1（w/m?k ）。可以采用高导热性材料与 LED 晶片贴合方法与贴合技术，这种方式有可沿用传统封装技术 特点。由于Si的热导率是GaAs的3倍，表面平坦且价格优 廉，贴合时的热处理变质量较低，贴合设备简单，成本低。Si 基板与晶片贴合条件基于基于两材料热膨胀系数差异， Au 长膜温度设定为 300摄氏度以下， Au 膜层堆积于两材料表

6、 面后再将金属面贴合成一体，由于 Au 的热传导率较高，同 时又可将 LED 的热能扩散至 Si 基板，因此贴合时 Au 膜层 不会发生龟裂现象晶圆制程也无弯曲问题，对发光层而言更 不会造成任何伤害。虽然 Cu的热传导率比Au高，但Cu在 氢环境下进行热处理时会变质，在相同尺寸的晶圆能获得的 晶片数量相对比较少。 大功率 LED 晶片表面有四维膜层， 除 此之外结构上与 Si 晶片完全相同，因此可直接沿用改装的Si 晶片封装设备。 传统的炮弹形 LED 热阻为 300K/W ，使用 Si 晶片封装设备封装的大功率 LED 只有 10K/W 左右，这意 味着电流密度可提高四倍。2 改进 LED

7、封装技术一般而言，LED晶粒（Die ）以打金线、共晶或覆晶方 式连结于其基板上( Substrate of LED Die )而形成一个 LED 晶片( chip )，而后再将 LED 晶片固定于系统的电路板上 (System circuit board )。因此， LED 可能的散热途径为直接 从空气中散热， 或经由 LED 晶粒基板至系统电路板再到大气 环境。而散热由系统电路板至大气环境的速率取决于整个发 光灯具或系统的设计。 B.Fan 等人发现荧光粉对温度敏感， 高温减少其可靠性， 于是建议用一层热绝缘体放在 LED 与包 装层之间，实验证明加了隔热层光流量增加了， CCT 温度也

8、不太受电流的影响。 另外在 LED 的热沉上， 加装一定面积的 散热片。在 LED 功率器件与散热片的接面先涂上一层导热 胶，然后设法把散热片与大功率 LED 固定好， 而且安装时尽 量考虑让它能接触到流动的空气，这样可以较快的把热量带 走。另外还可以采用导入微控制器 采 SMD 形式制作的 NTCTHERMISTOR 组件这是 NTC 电的改善形式， 若想达到 更佳的设计，搭配 MCU 进行更精密的安全设计也是一种相 对务实的作法， 在开发项目中， 可将 LED 光源模块的状态区 分为灯光是否正常、灯光是否被关闭，搭配温度警示与温度 量测的程序逻辑判断，建构更为完善的智慧灯具管理机制。 例如，若出现灯具温度警示，经温度量测得知模块温度仍在 可接受范围，可维持正常途径，透过散热片自然散逸运行温 度；而当警示告知所测得温度已达需执行主动散热机制的基 准，此时 MCU 必须控制散热风扇作动，进行散热处理。3 结语 本文首先介绍了散热对 LED 的发光效率以及 LED 寿命 的影响，并